CN101509757A - 碳纤维导电水泥基复合材料工程应变测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维导电水泥基复合材料工程应变测量系统，属于土木工程、水利水电工程和交通工程技术领域。其特征是采用短切碳纤维和两端埋设不锈钢网电极的方法制作出碳纤维导电水泥基应变传感器，并埋入混凝土结构中，将同批、同规格、电阻相等的补偿用碳纤维导电水泥基应变传感器埋设在应力变化较小的位置，垂直于受力方向；采用恒流源和信号滤波放大器测量电阻变化量，由数据采集卡采集电压信号，由计算机运算得到应变值。本发明的有益效果是碳纤维导电水泥基复合材料工程应变测量系统能够消除含水率、龄期和温度等多方面不确定因素对碳纤维导电水泥基应变传感器电阻影响，电阻的变化量的检测精度高，可实现稳定、准确的应变测量。

Description

碳纤维导电水泥基复合材料工程应变测量系统

技术领域

本发明属于土木工程、水利水电工程和交通工程技术领域，涉及一种工程现场检测领域的应变测量系统，特别涉及到碳纤维导电水泥基复合材料的工程应变测量系统。

背景技术

在工程现场检测中，目前常用的方法有外贴应变片法和光弹贴片法。电阻应变片的电阻值随结构的变形而变化，其制作和检测技术也比较成熟。但是电阻应变片的灵敏系数比较低，且耐久性较差，不适宜做长期的现场监测；电阻应变片所量测部位混凝土一旦开裂，应变片即失效，不能继续工作，适用范围也有很大的限制。碳纤维导电水泥基复合材料的电阻随其变形而可逆变化，电阻—应变灵敏度远高于传统的电阻应变片测量方法，因此有望实现高精度的应变测量。但由于碳纤维导电水泥基复合材料的电阻受到含水率、龄期、温度等多方面的影响，致使测量结果有很大的不确定性，在实际应用中受到很大的限制。

大量文献中直接采用万用表测量基于碳纤维导电砂浆、碳纤维导电混凝土等材料的电阻，或者采用精密电压表和精密电流表间接得到其电阻，并通过整体电阻的对比来分析应力与电阻或电阻变化量的关系，具有试验装置简单，测试结果直观等优点。但是由于应力引起的电阻变化量与基体电阻相比仍然比较小，因此上述方法精度不高。

专利CN 1451955A在混凝土梁的上下表面敷设碳纤维增强水泥，组成夹层结构进行检测，可以消除环境温度的影响并改善应变敏感的稳定性。但是碳纤维增强水泥的电阻还受到含水率、龄期等其它因素的影响，由于实际的工程现场条件复杂，梁上下表面必然出现温度、含水率的不一致，从而影响补偿的效果。

发明内容

本发明要解决技术问题是提供一种适用于工程现场长期监测、稳定性高、适用范围广、实现多因素补偿的碳纤维导电水泥基复合材料工程应变测量系统，以弥补目前碳纤维导电水泥基复合材料在实际应用中应变检测方面的不足。

本发明的技术方案是：

采用短切碳纤维制作碳纤维水泥基导电试件，在试件的两端埋设不锈钢网电极，制作出碳纤维导电水泥基应变传感器；将碳纤维导电水泥基应变传感器嵌入需要检测的部位；同时在应力较小的部位嵌入起补偿作用的碳纤维导电水泥基应变传感器，该处的碳纤维导电水泥基应变传感器布设方向与主受力方向垂直；将碳纤维导电水泥基应变传感器和补偿用碳纤维导电水泥基应变传感器等同为两个电阻，采用双路恒流源进行激励，采用两根屏蔽信号线将两个传感器的电压信号接入信号滤波放大器，计算机通过数据采集卡采集放大的电信号，通过运算得到结构待测部位的应变值。

通过补偿用碳纤维导电水泥基应变传感器的设置，可以抵消碳纤维导电水泥基应变传感器因含水率、龄期、温度等多种因素引起的电阻变化，提高测量准确度。为了实现准确补偿，需要保证所用的碳纤维导电水泥基应变传感器和补偿用碳纤维导电水泥基应变传感器是同批次、同规格的，二者电阻在相同条件下应相等，如果电阻值不等，则采用精细研磨的方式对两种传感器的电阻进行修正。

上述碳纤维导电水泥基应变传感器的制作方法为：将分散均匀的短切碳纤维加到由水泥、硅灰、砂、减水剂、消泡剂、水拌合的混合砂浆中充分搅拌，之后浇筑成型，拆模后在实际结构施工时预埋入相应的位置。碳纤维导电水泥基应变传感器的配合比根据实际工程需要进行调整，其强度宜低于所测位置的强度。

本发明的效果和益处是：采用本发明提出的碳纤维导电水泥基复合材料工程应变测量系统，能够提高碳纤维导电水泥基应变传感器的应变检测灵敏度，并且能够置入需要检测的部位，具有良好的界面相容性；通过补偿用碳纤维导电水泥基应变传感器的设置，能够消除含水率、龄期、温度等因???素对其应变—电阻特性的影响，实现稳定、准确的应变测量；通过恒流源和信号滤波放大器能够准确测量外界应力引起的碳纤维导电水泥基应变传感器电阻的变化量，应变检测的灵敏度高。

附图说明

附图1是碳纤维导电水泥基复合材料工程应变测量系统。

附图2是碳纤维导电水泥基应变传感器的结构示意图。

图中：1 碳纤维导电水泥基应变传感器；2 补补偿用碳纤维导电水泥基应变传感器；3 混凝土梁；4 屏蔽信号线；5 100μA精密恒流源；6 信号滤波放大器；7 数据采集卡；8 计算机；9 碳纤维导电水泥基应变传感器基体；10 不锈钢网电极。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述说明本发明的最佳实施例。

碳纤维导电水泥基应变传感器的制作过程为：首先取适量温水(40℃左右)，把甲基纤维素置于水中并不断搅拌使其完全溶解，冷却后放入消泡剂和碳纤维，在此过程中要不断搅拌至碳纤维均匀分散，无任何团聚现象，将其加入搅拌锅中；然后把称取的硅灰、水泥、砂等加入搅拌机中并不断搅拌；最后加入溶解于水的减水剂，继续搅拌直到拌合物达到合适的工作性能；把搅拌好的碳纤维混合砂浆倒入模具中，插入不锈钢丝网电极，并在振动台上振捣成型。

本发明中可以将碳纤维导电水泥基应变传感器嵌入任何需要对应变进行检测的混凝土结构中，本实施例以混凝土梁为例说明本发明的具体实施过程。对于三点弯曲梁实验，首先将碳纤维导电水泥基应变传感器1埋设在混凝土梁3下部的跨中部位，将补偿用碳纤维导电水泥基应变传感器2埋设在距跨中四分之一跨度的位置，并与受力方向垂直布设；采用两根屏蔽信号线4将两个应变传感器与两个100μA精密恒流源5和信号滤波放大器6相连，由于两个导线的长度相等且平行走线，因此能够补偿导线电阻随温度和外力的变化；屏蔽信号线的采用能够有效的抑制各种电磁辐射干扰；信号滤波运算放大器具有很高的共模抑制比，因此能够有效的抑制碳纤维导电水泥基应变传感器和补偿用碳纤维导电水泥基应变传感器的共模电压，而将二者的电压差有效放大。

设碳纤维导电水泥基应变传感器和补偿用碳纤维导电水泥基应变传感器的电阻为R_m和R_r，I为精密恒流源的电流，此处为100μA，β为信号滤波放大器的电压放大倍数。则放大器的输出信号为：

V₀＝I(R_m-R_r)β

＝βI[(R_m0+ΔR_mε+ΔR_mT+ΔR_mRH)-(R_r0+ΔR_rT+ΔR_rRH)]

＝βI[(R_m0-R_r0+ΔR_mT+ΔR_mRH-ΔR_rT-ΔR_rRH)+ΔR_mε]      (1)

上式中，R_m0和R_r0为未埋入结构时的初始电阻，ΔR_mε为结构应力引起的碳纤维导电水泥基应变传感器的电阻变化量，ΔR_mT和ΔR_rT分别为检测用和补偿用应变传感器由于温度引起的电阻变化量，ΔR_mRH和ΔR_rRH为传感器含水率和龄期等因素引起的电阻变化量。

由于碳纤维导电水泥基应变传感器和补偿用碳纤维导电水泥基应变传感器是同批制作，规格相同，安装位置较近，因此二者由于湿度和龄期引起的变化量基本一致。因此(1)式变为：

V₀＝βI[(R_m0-R_ro)(1+αΔT)+ΔR_mε]       (2)

上式中，ΔT为温度的变化量，α为碳纤维导电水泥基应变传感器电阻的温度系数。

从上式可以看出，只有碳纤维导电水泥基应变传感器和补偿用碳纤维导电水泥基应变传感器的初始电阻相等，才能够完全补偿掉温度变化对测量结果的干扰，因此在实际的应用中需要通过精细研磨的方式对二者的电阻进行微调，使二者电阻相等，此时可以得到：

V₀＝βI·ΔR_mε         (3)

即输出电压与应力产生的电阻变化量成正比。

计算机8通过数据采集卡7采集(3)式中的电压，并通过预先标定的应变—电阻关系曲线得到加载过程中混凝土梁的应变变化。

Claims (2)

1.碳纤维导电水泥基复合材料工程应变测量系统，其特征在于：通过短切碳纤维和两端埋设不锈钢网电极(10)的方法制作碳纤维导电水泥基应变传感器(1)；将碳纤维导电水泥基应变传感器(1)嵌入混凝土结构中需要测量应变的部位，并在结构应力较小的部位嵌入补偿用碳纤维导电水泥基应变传感器(2)，布设方向与受力方向垂直；将碳纤维导电水泥基应变传感器(1)和补偿用碳纤维导电水泥基应变传感器(2)等同为两个电阻，采用双路恒流源(5)进行激励，采用屏蔽信号线(4)将二者的电压接入信号滤波放大器(6)，计算机(8)通过数据采集卡(7)采集放大的电压差信号，通过运算得到结构待测部位的应变值。

2.如权利要求1所述的碳纤维导电水泥基复合材料工程应变测量系统，其特征在于：碳纤维导电水泥基应变传感器(1)和补偿用碳纤维导电水泥基应变传感器(2)在相同条件下电阻相等。

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